熱壓工藝對(duì)間位芳綸復(fù)合紙微結(jié)構(gòu)與性能的影響

張素風(fēng) 孫召霞 王 群 豆莞莞

(陜西科技大學(xué)輕工與能源學(xué)院，陜西省造紙技術(shù)及特種紙品開發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安，710021)

聚間苯二甲酰間苯二胺(PMIA，芳綸1313)主鏈中包括交替的苯環(huán)和酰胺基團(tuán)(見圖1)，芳香環(huán)作為結(jié)構(gòu)骨架，強(qiáng)烈的分子間作用力使其具有很好的熱性能、力學(xué)性能和化學(xué)穩(wěn)定性［1］。間位芳綸復(fù)合紙由間位芳綸短切纖維和沉析纖維經(jīng)濕法成形制成紙張。為了充分發(fā)揮芳綸纖維的優(yōu)異性能并提高紙張的力學(xué)性能、電絕緣性和耐熱性，需要對(duì)芳綸復(fù)合紙進(jìn)行熱壓。在受到高溫高壓作用過(guò)程中間位芳綸沉析纖維部分軟化并將間位芳綸短切纖維黏結(jié)在一起。因此，熱壓過(guò)程中，間位芳綸短切纖維和沉析纖維在紙張結(jié)構(gòu)中的變化，對(duì)間位芳綸復(fù)合紙性能起著至關(guān)重要的作用。本實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)研究130 ～240℃溫度范圍內(nèi)的熱壓過(guò)程對(duì)間位芳綸復(fù)合紙微觀結(jié)構(gòu)的影響，包括纖維形態(tài)、纖維和漿粕之間的結(jié)構(gòu)變化和間位芳綸復(fù)合紙紙張的機(jī)械強(qiáng)度等。

圖1 聚間苯二甲酰間苯二胺化學(xué)結(jié)構(gòu)圖

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

圖2 圖像分析過(guò)程圖

間位芳綸短切纖維和沉析纖維，均為國(guó)產(chǎn);短切纖維的平均長(zhǎng)度為6 mm，直徑為10 μm;沉析纖維長(zhǎng)度或?qū)挾仍?.5 ～1.8 mm 范圍內(nèi)，厚度不超過(guò)2 μm，加拿大標(biāo)準(zhǔn)游離度(CSF)為375 mL。

1.2 間位芳綸復(fù)合紙的抄造和熱壓

間位芳綸手抄紙利用濕法造紙工藝制成。間位芳綸短切纖維和沉析纖維分別在水中分散，并按2∶3 的質(zhì)量比混合稀釋后，上網(wǎng)成形，經(jīng)濕壓榨、干燥，干燥溫度為100℃。熱壓前紙張定量為116 g/m2。

間位芳綸復(fù)合紙的熱壓在三輥熱壓機(jī)上進(jìn)行，熱壓速度為650 mm/min，線壓力設(shè)為15 MPa。

1.3 掃描電子顯微鏡(SEM)觀察

紙張的橫截面在液氮中低溫切割制得，然后使用S150 濺射鍍膜機(jī)將樣品噴金240 s，并用JEOL JSM-6400 掃描電鏡進(jìn)行SEM 觀察，加速電壓為10 kV?？臻g分辨率為0.15 μm/像素，大小為1000 ×804 像素。采用同樣的方法觀察各個(gè)紙樣的表面。

1.4 間位芳綸復(fù)合紙物理性能測(cè)試

間位芳綸復(fù)合紙的厚度、緊度、抗張強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、撕裂度均按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試。每個(gè)紙樣測(cè)定3 個(gè)樣本。所有的測(cè)試都是在恒溫恒濕條件下進(jìn)行。

1.5 圖像分析方法

圖像分析過(guò)程如圖2 所示。橫截面圖像的處理和分析采用圖像J軟件完成，網(wǎng)址為http://rsb. info.nih. gov/ij。首先，調(diào)整間位芳綸復(fù)合紙橫截面圖像，見圖2 (a)，將SEM 圖的域值轉(zhuǎn)換成二值圖像，見圖2 (b)，盡可能大地調(diào)整對(duì)比度，使纖維的外邊緣和紙張的孔隙等部位顯示為黑色，纖維中心部位顯示白色。在閾值圖中可以讀出域值，做出相對(duì)應(yīng)的閾值圖和灰度直方圖，見圖2 (c)。閾值及其在總測(cè)量面積中的面積分?jǐn)?shù)相對(duì)應(yīng)的像素?cái)?shù)，通過(guò)該分析軟件計(jì)算得出。

在直方圖2 (c)中，縱軸表示不同亮度等級(jí)的像素?cái)?shù)，橫軸表示絕對(duì)亮度，數(shù)值在0 ～256 之間?；叶燃?jí)為0 時(shí)表示純黑，為255 時(shí)表示純白。本實(shí)驗(yàn)中，圖片中一個(gè)區(qū)域的灰度值可以用來(lái)表征短切纖維和沉析纖維的橫截面和孔隙程度。

2 結(jié)果與討論

2.1 間位芳綸復(fù)合紙橫截面及表面SEM 觀察

圖3 間位芳綸復(fù)合紙表面形態(tài)SEM 圖

圖4 間位芳綸復(fù)合紙橫截面SEM 圖

表1 熱壓后間位芳綸復(fù)合紙孔隙結(jié)構(gòu)及纖維的SEM 分析結(jié)果

采用掃描電鏡對(duì)熱壓過(guò)程中紙張微觀結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行分析，結(jié)果見圖3 和圖4。由圖3 和圖4 可以看到，隨著熱壓溫度的上升，紙張表面逐漸變得平滑，內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加緊密。如圖3 (a)所示，未熱壓紙的表面可以清晰地看到單根短切纖維和沉析纖維游離狀態(tài)的輪廓圖。圖4 (a)紙張橫截面中短切纖維和沉析纖維隨機(jī)且松散地分布在紙張結(jié)構(gòu)內(nèi)，經(jīng)過(guò)熱壓后，紙張被壓緊，見圖4 (b)～4 (d)，紙張表面也變?yōu)轭愃颇钇交谋砻妫妶D3 (b)～3 (d)。隨著熱壓溫度的升高，紙張的表面膜狀程度和緊度增加，如圖3 (c)和圖3 (d)所示。這表明沉析纖維展現(xiàn)出的塑性黏合性將短切纖維固著在一起［2-4］。

2.2 采用圖像分析技術(shù)分析間位芳綸復(fù)合紙孔隙結(jié)構(gòu)變化

紙張孔隙結(jié)構(gòu)分析是定量表征紙張結(jié)構(gòu)變化的有效方法，也是評(píng)價(jià)紙張組成的一種有效補(bǔ)充方法。表1 所示為采用圖像分析技術(shù)對(duì)SEM圖像中的間位芳綸復(fù)合紙結(jié)構(gòu)中孔隙結(jié)構(gòu)及纖維相關(guān)信息分析的結(jié)果。經(jīng)過(guò)熱壓后，紙張內(nèi)部的孔隙率顯著下降，這與紙張緊度的增加一致。紙張內(nèi)部的孔隙是由于間位芳綸沉析纖維受熱收縮引起的，這是合成纖維的共同性能［5-6］。紙張?jiān)跓釅哼^(guò)程中，由于受到高溫高壓的作用大部分氣體逸出、孔隙消失，只有少量孔隙依然存在，隨后當(dāng)間位芳綸沉析纖維收縮時(shí)針孔形成。這些針孔的存在除引起紙張的孔隙率增加外，還可能對(duì)紙張的撕裂度，甚至絕緣性能等產(chǎn)生影響［2，7-8］。

2.3 熱壓過(guò)程中間位芳綸復(fù)合紙物理性能的變化

熱壓是制備間位芳綸復(fù)合紙非常重要的過(guò)程，可以大幅提高紙張的整體性能。本實(shí)驗(yàn)選取熱壓溫度在130 ～240℃之間，對(duì)紙張分別進(jìn)行熱壓處理。圖5 所示為熱壓前后間位芳綸復(fù)合紙的物理性能包括紙張緊度、抗張強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率及撕裂度的變化情況。

由圖5 (a)、5 (b)和5 (c)可知，間位芳綸復(fù)合紙的緊度、抗張強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率在經(jīng)過(guò)熱壓后都顯著提高。熱壓溫度為130℃時(shí)，紙張緊度為未經(jīng)熱壓時(shí)的4 倍，抗張強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率也分別約為未經(jīng)熱壓時(shí)的5 倍和7 倍;繼續(xù)提高熱壓溫度，各性能指標(biāo)的增長(zhǎng)速率都趨于緩和。紙張緊度的增加表明紙張中短切纖維和沉析纖維被壓得更加緊密［9-10］。間位芳綸復(fù)合紙抗張強(qiáng)度的增加說(shuō)明間位芳綸短切纖維和沉析纖維之間的黏結(jié)作用在熱壓后變得更加強(qiáng)烈。熱壓后更高的伸長(zhǎng)率表明結(jié)構(gòu)拉伸應(yīng)變能力的提高，它可能是由紙張中熔融的纖維分子延伸運(yùn)動(dòng)所導(dǎo)致。

在圖5 (d)中，隨熱壓溫度的變化，紙張的撕裂指數(shù)變化顯示出一個(gè)與其他物理性能變化不同的趨勢(shì)。熱壓溫度為130℃時(shí)，撕裂強(qiáng)度約為未經(jīng)熱壓時(shí)的2.2 倍。撕裂強(qiáng)度提高的主要原因是前面所述結(jié)構(gòu)的壓實(shí)和纖維間的黏結(jié)。然而熱壓溫度繼續(xù)大幅升高會(huì)導(dǎo)致紙張撕裂強(qiáng)度下降，這可能是由于間位芳綸短切纖維被熔融部分的沉析纖維黏結(jié)而固定。撕裂強(qiáng)度表示撕裂紙張時(shí)所需消耗的能量，紙張結(jié)構(gòu)內(nèi)間位芳綸短切纖維所受的束縛，限制了撕裂應(yīng)力在紙張內(nèi)部的傳遞，導(dǎo)致撕裂強(qiáng)度下降［11-12］。

圖5 未經(jīng)熱壓和經(jīng)不同溫度熱壓的間位芳綸復(fù)合紙的物理性能

3 結(jié) 論

3.1 經(jīng)過(guò)熱壓后間位芳綸復(fù)合紙的表面變得光滑平整，內(nèi)部結(jié)構(gòu)變得密實(shí)，間位芳綸沉析纖維展現(xiàn)出塑性黏合性將短切纖維固定黏結(jié)起來(lái)。熱壓過(guò)程中，高溫高壓作用使紙張結(jié)構(gòu)中大部分氣體逸出，僅留存少量孔隙，圖像分析結(jié)果為孔隙率約為20%。

3.2 熱壓過(guò)程可以使間位芳綸復(fù)合紙的抗張強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率和緊度等物理性能同時(shí)得到大幅提高。當(dāng)熱壓溫度為130℃時(shí)，間位芳綸復(fù)合紙的緊度、抗張強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率分別約為未經(jīng)熱壓處理時(shí)的4、5 和7 倍。

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